DE69515773T2 - Monolithic, porous support for filtration membranes - Google Patents

Monolithic, porous support for filtration membranes

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Abstract

A one-piece porous, esp. ceramic, support (1) for a filter membrane has channels (2,3,4) with inner surfaces supporting the membranes. The channels are of similar section, and the partitions (5,6,7) between them are of constant thickness. The number of channels is between 2 and 8 inclusive, pref. 2-4; the corners of the channels are rounded, and the support can be either circular or hexagonal in section.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen monolithischen porösen Träger, insbesondere aus keramischem Material, für eine Filtermembran.The present invention relates to a monolithic porous carrier, in particular made of ceramic material, for a filter membrane.

Diese Membranen sind seit langem für Ihre Trenneigenschaften bekannt und entwickeln sich schnell in zahlreichen Einsatzbereichen wie etwa im Landwirtschafts- und Nahrungsmittelbereich, in der Biotechnologie, bei der Behandlung von Trink- und Brauchwasser, in der pharmazeutischen Industrie und in der Atomindustrie.These membranes have long been known for their separation properties and are rapidly developing in numerous areas of application such as agriculture and food, biotechnology, drinking and industrial water treatment, the pharmaceutical industry and the nuclear industry.

Diese Monolithen, wie beispielsweise die in US-A-4069157, EP-A- 470340 und EP-A-585152 beschriebenen, die mit Kanälen durchsetzt sind, an denen die Membranen abgelagert sind, haben den doppelten Vorteil, daß sie eine große Austauschoberfläche der Membran pro Volumeneinheit und einen sehr guten Durchlässigkeitsfaktor aufweisen. Der Durchlässigkeitsfaktor ist beispielsweise in US-A-4069157 definiert.These monoliths, such as those described in US-A-4069157, EP-A-470340 and EP-A-585152, which are interspersed with channels on which the membranes are deposited, have the double advantage of having a large membrane exchange surface per unit volume and a very good permeability factor. The permeability factor is defined, for example, in US-A-4069157.

Außerdem weisen diese Träger und Membranen insbesondere, wenn sie aus anorganischem und/oder keramischem Material bestehen, wegen ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit und ihrer chemischen, biologischen und thermischen Trägheit eine sehr lange Benutzungslebensdauer auf und können unter extremen Benutzungsbedingungen (pH, Temperatur, Druck, Strahlungen ...) funktionieren.In addition, these supports and membranes, especially when made of inorganic and/or ceramic material, have a very long service life due to their mechanical resistance and their chemical, biological and thermal inertia and can function under extreme conditions of use (pH, temperature, pressure, radiation, etc.).

Diese Träger führen jedoch in bestimmten Fällen zu Benutzungsproblemen.However, these carriers can cause problems in use in certain cases.

Da die Kanäle in unterschiedlichen Bereichen des Trägers liegen, funktionieren sie nicht in gleicher Weise, und man stellt fest, daß bestimmte Kanäle bevorzugt einer Verstopfung ausgesetzt sind.Since the channels are located in different areas of the carrier, they do not function in the same way and it is found that certain channels are preferentially subject to blockage.

Außerdem erweist es sich als schwierig, sehr dickflüssige und/oder heterogene Fluide zu filtrieren, die faserartige Fest stoffmaterialien umfassen, die von Textilien oder Papierwaren herrühren.In addition, it is difficult to filter very viscous and/or heterogeneous fluids that contain fibrous solids material materials derived from textiles or paper goods.

In der Tat kann sich eine Faser im Falle von bekannten Vielkanal-Monolithen, die im allgemeinen mehr als sieben Kanäle von quadratischem oder kreisförmigem Querschnitt haben, wie sie in US-A-4069157 und EP-A-470340 beschrieben sind, in mehreren Kanälen gleichzeitig befinden, am Eintritt des Monolithen, und die Wiederholung des Phänomens kann zur Verstopfung des Monolithen führen.Indeed, in the case of known multi-channel monoliths, generally having more than seven channels of square or circular cross-section, as described in US-A-4069157 and EP-A-470340, a fibre can be located in several channels at the same time, at the entrance of the monolith, and the repetition of the phenomenon can lead to clogging of the monolith.

Monolithen mit einer Vielzahl von kleinen Kanälen sind somit nicht für das Filtern von Fluiden dieser Art geeignet.Monoliths with a large number of small channels are therefore not suitable for filtering fluids of this type.

WO 93 07959 A beschreibt einen monolithischen porösen Träger für eine Filtermembran, die Kanäle umfaßt, die im Innern des Trägers in identischer Weise angeordnet sind. Die Dicke der Zwischenkanaltrennwände vergrößert sich nach außen hin.WO 93 07959 A describes a monolithic porous support for a filter membrane comprising channels arranged in an identical manner inside the support. The thickness of the inter-channel partition walls increases towards the outside.

Die vorliegende Erfindung schlägt insbesondere zum Lösen des oben genannten Problems eine technische Lösung vor, die es einerseits erlaubt, den Durchmesser der Kanäle zu vergrößern und andererseits, die Zahl der Kanäle zu verringern, wobei gleichzeitig die größtmögliche Filteroberfläche und geeignete mechanische Eigenschaften bewahrt werden.In particular, to solve the above-mentioned problem, the present invention proposes a technical solution which, on the one hand, allows the diameter of the channels to be increased and, on the other hand, the number of channels to be reduced, while at the same time maintaining the largest possible filtering surface and suitable mechanical properties.

Die vorliegende Erfindung betrifft in der Tat einen monolithischen porösen Träger für Filtermembranen, wie er in Anspruch 1 beansprucht ist, mit Kanälen, deren innere Oberfläche die Membranen trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mindestens zwei Kanäle umfaßt, wobei jeder Kanal aufweist:The present invention relates in fact to a monolithic porous support for filter membranes as claimed in claim 1, with channels whose inner surface supports the membranes, characterized in that the support comprises at least two channels, each channel comprising:

- a) im wesentlichen identische Querschnitte,- a) essentially identical cross-sections,

- b) Zwischenkanaltrennwände und Trennwände zu dem Äußeren des Trägers von im wesentlichen konstanter Dicke und- b) inter-channel partitions and partitions to the exterior of the beam of substantially constant thickness and

- c) eine Trennwand zu dem Äußeren des Trägers von im wesentlichen gleicher Oberfläche.- c) a partition wall to the exterior of the support of substantially the same surface area.

Empfohlen wird, daß die Zahl der Kanäle zwischen einschließlich 2 und 8 liegt, vorzugsweise zwischen einschließlich 3 und 4.It is recommended that the number of channels be between 2 and 8 inclusive, preferably between 3 and 4 inclusive.

Außerdem sind die spitzen Winkel der Kanalabschnitte abgerundet, um die Beladungsverluste und das Verstopfen zu verringern.In addition, the acute angles of the channel sections are rounded to reduce loading losses and clogging.

Der Träger weist einen Querschnitt auf, der eine zentrale Symmetrieachse aufweist. Dieser Querschnitt kann vorteilhaft kreisförmig oder sechseckig sein.The carrier has a cross-section that has a central axis of symmetry. This cross-section can advantageously be circular or hexagonal.

In dem erfindungsgemäßen Monolithen sind alle Kanäle im Innern des Monolithen in identischer Weise angeordnet. Unter diesen Bedingungen funktionieren alle Kanäle während des Filterns in analoger Weise, d. h., daß alle Kanäle in im wesentlichen identischer Weise filtern und sich verstopfen, und es gibt kein bevorzugtes Verstopfen.In the monolith according to the invention, all channels inside the monolith are arranged in an identical manner. Under these conditions, all channels function in an analogous manner during filtering, i.e. all channels filter and clog in an essentially identical manner and there is no preferential clogging.

Außerdem erlaubt es der erfindungsgemäße Träger, während er den Vorteil der Monolithen bezüglich des Einzelrohrs bewahrt, bei vorgegebenem Platzverbrauch eine größere abgewickelte Oberfläche der Membranen zu erhalten, wobei er gleichzeitig einen bedeutenden Querschnitt der Kanäle für das Durchströmen des zu filternden Fluids bewahrt.Furthermore, the support according to the invention, while maintaining the advantage of the monoliths with respect to the single tube, makes it possible to obtain a larger developed surface of the membranes for a given space consumption, while at the same time preserving a significant cross-section of the channels through which the fluid to be filtered can flow.

Auch wenn der erfindungsgemäße Monolith vorzugsweise aus keramischem Material ist, wie beispielsweise gemäß den Lehren der vorgenannten US-A-4069157, EP-A-470340 und EP-A-585152, kann er auch aus Metall, aus Kohlenstoff und allgemein aus beliebigen anorganischen Materialien sein.Although the monolith according to the invention is preferably made of ceramic material, such as, for example, according to the teachings of the aforementioned US-A-4069157, EP-A-470340 and EP-A-585152, it can also be made of metal, carbon and generally of any inorganic material.

Im Falle der Verwendung keramischen Materials wird erfindungsgemäß für den Fall der Verwendung eines Trägers von zylindrischem Querschnitt ein äußerer Durchmesser, der vorteilhaft zwischen 6 und 40 mm liegt, und eine Länge empfohlen, die zwischen 10 cm und 2 m liegt. Die Dicke der Zwischenkanaltrennwände und der Trennwände jedes Kanals zur äußeren Oberfläche des Trägers liegt allgemein zwischen 0,5 und 3 mm.In the case of using ceramic material, according to the invention, in the case of using a support with a cylindrical cross-section, an external diameter advantageously lying between 6 and 40 mm and a length lying between 10 cm and 2 m is recommended. The thickness of the inter-channel partitions and of the partitions of each channel to the external surface of the support is generally between 0.5 and 3 mm.

Die erfindungsgemäßen Träger können durch klassische Verfahren der Extrusion einer keramischen Masse durch eine Düse geeigneter Form hergestellt werden. In diesem Falle wird empfohlen, der Lehre aus der vorgenannten EP-A-585152 zu folgen.The supports according to the invention can be produced by conventional methods of extruding a ceramic mass through a nozzle of suitable shape. In this case, it is recommended to follow the teaching of the aforementioned EP-A-585152.

Vorzugsweise haben die verwendeten Düsen eine Form, die dahingehend angepaßt ist, daß die einander gegenüberliegenden Winkel der Kanäle abgerundet sind.Preferably, the nozzles used have a shape that is adapted so that the opposing angles of the channels are rounded.

Der Träger wird anschließend gefrittet. Dieser Träger hat im allgemeinen einen Porendurchmesser, der zwischen 2 und 10 um liegt. Auf diesem Träger lagert man, im Innern der Kanäle und eventuell auf der äußeren Oberfläche des Trägers, eine mineralische und/oder organische Membran zum Mikrofiltern (Porendurchmesser zwischen 0,1 und 1,5 um) oder zum Ultrafiltern (Porendurchmesser zwischen 2 nm und 0,1 um) ab. Diese Membranen werden durch Ablagern mindestens einer Schicht von anorganischen Teilchen und/oder eines Polymers hergestellt, indem beispielsweise die Ausgangsstoffe und das Verfahren verwendet werden, die in der vorgenannten Patentanmeldung EP-A-585152 beschrieben sind.The support is then fritted. This support generally has a pore diameter of between 2 and 10 µm. A mineral and/or organic microfiltration membrane (pore diameter of between 0.1 and 1.5 µm) or ultrafiltration membrane (pore diameter of between 2 nm and 0.1 µm) is deposited on this support, inside the channels and possibly on the external surface of the support. These membranes are prepared by depositing at least one layer of inorganic particles and/or a polymer, using, for example, the starting materials and the process described in the aforementioned patent application EP-A-585152.

Die erfindungsgemäßen Monolithen sind besonders von Interesse, um Suspensionen zu filtern, die sehr mit Feststoffmaterialien beladen sind und/oder sehr dickflüssig sind, wie beispielsweise etwa bestimmte Gärmoste, Papierwarenabwässer, Suspensionen aus faserförmigen Produkten und aus Erdölprodukten.The monoliths according to the invention are of particular interest for filtering suspensions that are heavily loaded with solid materials and/or are very viscous, such as, for example, certain fermentation musts, paper product waste water, suspensions of fibrous products and of petroleum products.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden beim Lesen des folgenden Ausführungsbeispiels besser ersichtlich, das zur Erläuterung und keineswegs einschränkend gegeben wird, wobei Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen wird, in der:Further advantages and characteristics of the invention will become more apparent on reading the following embodiment, given by way of illustration and not in a limiting sense, with reference to the accompanying drawings in which:

- Fig. 1 ein Schnitt eines zylindrischen Trägers mit 3 Kanälen ist,- Fig. 1 is a section of a cylindrical support with 3 channels,

- Fig. 2 ein Schnitt eines zylindrischen Trägers mit 5 Kanälen ist,- Fig. 2 is a section of a cylindrical support with 5 channels,

- Fig. 3 ein Schnitt eines Trägers von sechseckigem Querschnitt mit 6 Kanälen ist.- Fig. 3 is a section of a beam of hexagonal cross-section with 6 channels.

- Fig. 4 ein Schnitt eines Trägers von sechseckigem Querschnitt mit 4 Kanälen ist.- Fig. 4 is a section of a beam of hexagonal cross-section with 4 channels.

In Fig. 1 sieht man einen monolithischen Träger 1 aus Keramik mit drei im wesentlichen identischen Kanälen, 2, 3, 4.Fig. 1 shows a monolithic carrier 1 made of ceramic with three essentially identical channels, 2, 3, 4.

Man sieht, daß jeder Kanal Querschnitte von im wesentlichen analoger Form und Zwischenkanaltrennwände 5, 6 und 7 von im wesentlichen konstanter Dicke aufweist, wobei jeder Kanal außerdem eine Trennwand 8, 9 und 10 zu dem Äußeren des Trägers von im wesentlichen gleicher Dicke und gleicher Oberfläche aufweist.It can be seen that each channel has cross-sections of substantially analogous shape and inter-channel partitions 5, 6 and 7 of substantially constant thickness, each channel also having a partition 8, 9 and 10 to the outside of the support of substantially the same thickness and the same surface area.

Man sieht außerdem, daß die spitzen Winkel 11, 12 und 13 im Hinblick darauf abgerundet sind, die Zirkulation des zu filtrierenden Fluids zu verbessern und das Ablagern der Membran 14, 15, 16, die auf der inneren Oberfläche jedes entsprechenden Kanals 2, 3 und 4 abgelagert wird, zu erleichtern.It can also be seen that the acute angles 11, 12 and 13 are rounded with a view to improving the circulation of the fluid to be filtered and to facilitating the deposition of the membrane 14, 15, 16 which is deposited on the inner surface of each corresponding channel 2, 3 and 4.

In Fig. 2 sieht man, daß ein Träger von kreisförmigem Querschnitt 5 identische Kanäle umfaßt.In Fig. 2 it can be seen that a carrier of circular cross-section comprises 5 identical channels.

In den Fig. 3 und 4 sieht man, daß ein Träger von sechseckigem Querschnitt 6 bzw. 4 identische Kanäle umfaßt.In Figs. 3 and 4 it can be seen that a beam with hexagonal cross-section comprises 6 or 4 identical channels.

Claims (8)

1. Monolithischer poröser Träger (1) für eine Filtermembran, mit Kanälen (2, 3), deren innere Oberfläche die Membranen (14, 15) trägt, in dem der Träger (1) einen Querschnitt aufweist, der eine zentrale Symmetrieachse aufweist, und mindestens zwei Kanäle (2, 3) umfaßt, wobei alle Kanäle (2, 3) im Innern des Trägers (1) in identischer Weise angeordnet sind und aufweisen:1. Monolithic porous support (1) for a filter membrane, with channels (2, 3), the inner surface of which carries the membranes (14, 15), in which the support (1) has a cross-section which has a central axis of symmetry and comprises at least two channels (2, 3), all channels (2, 3) being arranged in an identical manner inside the support (1) and having: - im wesentlichen identische Querschnitte,- essentially identical cross-sections, - eine Trennwand (8, 9) zu dem Äußeren des Trägers von im wesentlichen gleicher Oberfläche, und- a partition wall (8, 9) to the outside of the carrier of substantially the same surface, and - Trennwände zu dem Äußeren des Trägers (8, 9) von im wesentlichen konstanter Dicke, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kanäle (2, 3) Zwischenkanaltrennwände von im wesentlichen konstanter Dicke aufweisen.- Partition walls to the outside of the carrier (8, 9) of substantially constant thickness, characterized in that all channels (2, 3) have inter-channel partition walls of substantially constant thickness. 2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Kanäle (2, 3) zwischen einschließlich 2 und 8 liegt, vorzugsweise zwischen einschließlich 3 und 4.2. Carrier according to claim 1, characterized in that the number of channels (2, 3) is between 2 and 8 inclusive, preferably between 3 and 4 inclusive. 3. Träger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spitzen Winkel (11, 12) der Kanalabschnitte (2, 3) abgerundet sind.3. Support according to one of claims 1 or 2, characterized in that the acute angles (11, 12) of the channel sections (2, 3) are rounded. 4. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) einen Querschnitt aufweist, der aus einem kreisförmigen Querschnitt und einem sechseckigen Querschnitt ausgewählt ist.4. Carrier according to one of claims 1 to 3, characterized in that the carrier (1) has a cross-section which is selected from a circular cross-section and a hexagonal cross-section. 5. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und aus keramischem Material besteht.5. Carrier according to one of claims 1 to 4, characterized in that the carrier (1) has a circular cross-section and consists of ceramic material. 6. Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Außendurchmesser zwischen 6 und 40 mm aufweist.6. Carrier according to claim 5, characterized in that it has an outer diameter between 6 and 40 mm. 7. Träger nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Länge zwischen 10 cm und 2 m aufweist.7. Support according to one of claims 5 or 6, characterized in that it has a length between 10 cm and 2 m. 8. Träger nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenkanaltrennwände und der Trennwände jedes Kanals zu der äußeren Oberfläche des Trägers zwischen 0,5 und 3 mm liegt.8. Support according to one of claims 5 to 7, characterized in that the thickness of the intermediate channel partition walls and the partition walls of each channel to the outer surface of the support is between 0.5 and 3 mm.
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